地埋管回填材料與地源熱泵地下溫度場的測試分析

地埋管回填材料與(yu) 地源熱泵地下溫度場的測試分析

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 1　前言

地埋管地源熱泵技術由於(yu) 其節能和環保的特點正受到越來越多的關(guan) 注.然而地埋管地源熱泵的推廣需要開展對地埋管換熱器存在的一些應用和理論問題的研究,其中包括選擇合適回填材料、 熱泵係統對地埋管區域土壤作用時的溫度變化問題等.比較理想的回填材料,不僅(jin) 具有良好的護壁作用,還能降低埋管井與(yu) 周邊土壤的熱阻,提高換熱器管網對地下土壤的傳(chuan) 熱性能,減少地埋管的工程和造價(jia) ,同時還能改善熱泵的運行參數,提高係統的節能潛力.在熱泵係統運行期間,地下土壤溫度場的穩定性是關(guan) 係到係統運行的可靠性和可持續性的問題.對於(yu) 夏熱冬冷的華東(dong) 地區,地源熱泵通過地埋管與(yu) 地下土壤進行取熱和散熱的雙向傳(chuan) 熱作用,相對於(yu) 單一製熱的北方地區和單一製冷的南方地區,華東(dong) 地區為(wei) 地源熱泵提供了理想的應用環境.但是,對於(yu) 所有地埋管型地源熱泵來說,地下土壤溫度場的穩定性問題仍然是值得關(guan) 注的大問題.熱泵係統的冷熱負荷對地下的熱作用很難自然取得平衡,需要調查地下溫度場的變化特性,以便製定優(you) 化的設計方案,確保係統長期穩定可靠的節能運行[1].目前國內(nei) 對回填材料和地下土壤熱平衡問題的研究局限於(yu) 計算機模擬或短期試驗研究[2~4], 缺少可靠的試驗測量數據.本文以夏熱冬冷的華東(dong) 地區為(wei) 對象,采用現場測試的方法,對比研究了 兩(liang) 種不同回填材料對地埋管換熱器傳(chuan) 熱性能的影響;在地源熱泵地埋管區域的土壤中安裝溫度傳(chuan)  感器,根據對地源熱泵運行期間地下溫度場的數據采集,分析了係統運行中埋管換熱器周圍不同 位置處土壤溫度場的變化特性.

2　不同回填材料地埋管換熱器的熱響應測試

對地埋管換熱器的熱響應測試采用了專(zhuan) 門設 計製造的試驗台,如圖1所示.該試驗台包括測 試設備、控製設備、測量設備、數據采集係統等部 分.測試設備能夠模擬夏天製冷工況和冬天製熱 工況,製成所需要的冷水和熱水,用於(yu) 傳(chuan) 熱試驗. 控製設備能夠根據需要調節所需要的供水溫度、 流量和壓力.測量設備由傳(chuan) 感器和儀(yi) 表組成,用 於(yu) 測量係統的溫度、壓力、流量等參數.控製設備 和測量設備均采用美國NI的FP模塊,使用485 通信協議,實現模塊與(yu) 上位機之間的.數據 采集係統基於(yu) Labview軟件平台,開發了自動化 數據采集、數據存儲(chu) 、安全控製的計算機程序,該 程序還具備遠程控製和遠程數據采集的功能.

為(wei) 了提高測試精度,對傳(chuan) 感器進行了校驗. 溫度傳(chuan) 感器的校驗在恒溫水浴中進行,采用0.1K 刻度的試驗室水銀溫度計作為(wei) 標準值,在0~ 50℃的溫度區間上,間隔3K,調節獲得穩定的水 溫後,開始讀數,Labview校正程序每隔5s掃描一次傳(chuan) 感器的溫度值,采用相鄰6個(ge) 掃描值的平均 值作為(wei) 每個(ge) 溫度傳(chuan) 感器的讀數,同時記錄水銀溫度計的讀數.在流量傳(chuan) 感器的校正中,利用水桶和秒表,采用了稱重法與(yu) 體(ti) 積測量法相結合,與(yu) 電子流量計的讀數相對照.根據校正的結果,對每個(ge) 傳(chuan) 感器進行曲線擬合,保證試驗結果分析的精度.

選擇黃沙+膨潤土、水泥漿+膨潤土作為(wei) 兩(liang)  種對比測試的回填材料,采用DN25的HDPE管作為(wei) 換熱器管道,井口直徑110mm,打井深度 60m,製成了1#和2#地埋管換熱器,
熱響應測試采用恒熱流法,分別模擬熱泵的夏季製冷工況和冬季製熱工況.夏季製冷工況時,需要測量地埋管換熱器向周邊土壤的散熱能力,保持換熱器HDPE的水流流量和熱流流量穩定,測試48h以上,保存所有傳(chuan) 感器的測試數據;采用類似方法,利用熱泵製成需要的冷水,模擬冬季供熱工況,測試換熱器從(cong) 周邊土壤的取熱能力.在測試中1#井和2#井首先同時進行散熱能力的熱響應測試,經過48h的穩定測試後,獲得的散熱試驗的運行數據;然後停止測試,讓地下土壤獲得一個(ge) 溫度恢複的過程;待地下土壤溫度場基本恢複後,開展冬季取熱的模擬測試.

無論對於(yu) 夏季散熱還是冬季取熱,1#井與(yu) 2#井在進水溫度與(yu) 流量均接近的情況下,1#井的進出口溫差比2#井大,因此1#井對周邊土壤的傳(chuan) 熱量大於(yu) 2#井.比較同一個(ge) 井夏季 工況與(yu) 冬季工況的傳(chuan) 熱情況可以看出,在流量接近的情況下,夏季的進出口溫差大於(yu) 冬季,這是因為(wei) 夏季埋管中循環水與(yu) 周圍土壤的溫差高於(yu) 冬季.

根據實際測量的土壤原始溫度、采集的地埋管的48h溫度曲線、熱流量數據,采用熱響應分析的方法,依據線熱源模型,可以回歸出土壤的有效導熱係數,從(cong) 而分別計算出各個(ge) 換熱器在出水溫度為(wei) 35℃時的單位井深散熱能力,同樣的方法獲取各個(ge) 換熱器在5℃時的等效取熱能力.

進水溫度35℃時,1#井埋管單位井深的傳(chuan) 熱量比2#井埋管高11%.進水溫度為(wei) 5℃時,1#井單位井深傳(chuan) 熱量比2#高井5%,兩(liang) 種工況均表明1#井的傳(chuan) 熱效果優(you) 於(yu) 2#井,表明回填材料黃沙+膨潤土的傳(chuan) 熱性能比水泥漿+膨潤土的好.

2#井埋管采用的PE管分隔夾具有減小熱短路、提高傳(chuan) 熱性能的功能.但是在本試驗中2#井 埋管的傳(chuan) 熱能力反而低於(yu) 沒有支承的1#井埋管,這主要是由回填材料造成的,這說明回填材料對傳(chuan) 熱的影響比支承更顯著.如果排除塑料夾的影響,以黃沙+硼潤土作為(wei) 回填材料的傳(chuan) 熱性能比采用對比回填材料的傳(chuan) 熱性能提高幅度會(hui) 更大.

3　地埋管換熱器周圍土壤溫度場的測試與(yu) 分析

地源熱泵的運行測試選在夏熱冬冷的華東(dong) 地區,建築物同時具有供冷和供熱兩(liang) 種需求,地源熱泵常年運行,製冷運行150天左右、製熱運行120天左右.

為(wei) 了綜合研究地下溫度場的變化情況,在地埋管換熱器安裝的不同區域安裝了一定數量的溫度傳(chuan) 感器(如圖2),選取3個(ge) 彼此不相鄰地埋管換熱器3#、4#和5#,井深30m,分別在井的內(nei) 壁和井外埋設溫度傳(chuan) 感器,傳(chuan) 感器埋深為(wei) 10m,測點4 ~6在井內(nei) 壁,測點1、2、3、7、8、9、10在井外,沿井徑向方向的距離依次相隔0.5m.

4　結論

(1)回填材料黃沙+膨潤土的傳(chuan) 熱性能優(you) 於(yu) 水泥漿+膨潤土.散熱能力在進水溫度35℃時前者比後者高11%左右,取熱能力在進水溫度5℃時高5%左右.采用黃沙+膨潤土的井埋管還比采用水泥漿+膨潤土的井埋管提供更大的進出口溫差;

(2)換熱井內(nei) 壁處土壤溫度曲線波峰出現在9月初,波穀在3月初,在井外,隨著離井距離的增加,溫度曲線出現峰穀值的時間將向後延遲2~3個(ge) 月.運行一年後,井埋管周圍土壤溫度升高,距離井埋管越遠,溫升幅度越大;

(3)地埋管換熱器周圍土壤溫度場的偏移現象說明,該熱泵對地埋管區域土壤的排熱量大於(yu) 取熱量.對於(yu) 夏熱冬冷的華東(dong) 地區來說,建築物需要的製冷能量大於(yu) 製熱能量,加上壓縮機、水泵、風機等設備的功耗,地源熱泵對地下土壤的製冷排熱量要比製熱取熱量大一倍左右,如何采取技術措施,實現地下土壤的熱平衡,對確保地源熱泵持續可靠運行來說非常重要.

參考文獻

[1]　陳衛翠,劉巧玲,賈立群,等.高性能地埋管換熱器 鑽孔回填材料的實驗研究[J].暖通空調,2006,36 (9):1-6.

[2]　趙軍(jun) ,張春雷,李新國,等.U型埋管地源熱泵係統 實驗研究[J].華北電力大學學報,2004,31(6),65- 67.

[3]　趙軍(jun) ,宋德坤,李新國,等.埋地換熱器放熱工況的 現場運行試驗研究[J].太陽能學報,2005,26(2): 162-165.

[4]　劉猛,何雪冰,劉憲英.某住宅地源熱泵係統夏季運 行測試研究[J].暖通空調,2005,36(1):118-121.

[5]　MurayaNK.Thermalinterferenceofadjacentlegsina verticalU-tubeheatexchangerforaground-coupled

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